波纹板除雾器两相流动的数值模拟与分析_徐淑君
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本文对波纹板除雾器在不同叶片间距 、气流速 度和液滴直径组合下的一系列工况进行了气液两相 流动的数值模拟 ,在模拟中考虑了重力作用 ,对气 、 液两相进行双向耦合计算 ,并采用能较好地处理强 旋及弯曲流动的 RN G kΟε模型 ,从而使数学模型更 接近真实流动. 通过计算得到了各个参数对除雾效 率 、压降的影响和流道内压力 、速度 、旋涡分布及液 滴的运动轨迹等情况 ,为除雾器的进一步优化设计 提供依据.
对于离散相 ,由于液滴相的体积分数小于 12 % , 本文采用离散相模型中的随机颗粒追踪模型模拟颗 粒的运动[5 ] . 该模型在对颗粒轨道方程的积分过程 中使用了流体的瞬时速度 ,以考虑颗粒的湍流扩散. 由于液滴直径很小 ,所以在计算中当作球体处理 ,不 考虑液滴形变 、碰撞 、破裂 、聚合 、蒸发和摩擦影响 ; 液滴碰到流道壁面后即认为被捕集 ,不考虑壁面反 弹 、液膜形成和撕裂及二次夹带的作用 ;液滴到达出 口时 ,即认为液滴逃逸. 离散相与连续相进行耦合计 算. 整个流场考虑重力影响.
L = 20 ,25 ,30 ,35 ,40 ,45 ,50 mm. 壁面条件 : 选择捕集 ( trap ) 类型 ,即不考虑反
弹 ,触及壁面就被捕集3 mm 的叶片 组成 ,应用 GAMB IT 软件生成网格. 由于低雷诺数 近壁面模型对网格质量要求较高 ,近壁面第一层网 格高度需满足网格尺度因子 y + = 1～5 ,因此 ,必须 在壁面附近细分网格. 可计算出近壁面第一层网格 高度为
近两年来 ,国内一些学者开始将 CFD 方法引入 除雾器的研究之中. 文献[ 2 ]运用 ANS YS 软件的对 折板和弧形除雾器进行了二维数值模拟 ,对速度场 作了分析 ,文献[ 3 ]对折线型挡板除雾器的分离效率 进行了数值计算 ,但未进行流场分析. 他们在计算中 都忽略了重力影响和连续相与离散相之间的耦合作 用 ,并使用了标准 kΟε模型 ,该模型用于强旋流 、弯 曲壁面流动或弯曲流线流动时会产生一定的失真.
曲通道中的流动是一种可压缩黏性流体的三维 、非
定常流动过程. 为了提高计算速度 ,可对实际问题作
适当简化 :
a. 忽略流道的空间拉伸 ,简化流场为两叶片间
的二维平面流动 ;
b. 由于进入除雾器的气流马赫数远小于 0. 1 ,
可把气体视为不可压缩气体处理[5 ] ;
c. 在理想状况下 , 气体流动各参数与时间无
第 29 卷 第 3 期
上海理工大学学报
J . University of Shanghai for Science and Technology
文章编号 :1007 - 6735 (2007) 03 - 0275 - 06
Vol. 29 No. 3 2007
波纹板除雾器两相流动的数值模拟与分析
徐淑君 , 姚 征 , 朱懿渊
(上海理工大学 动力工程学院 , 上海 200093)
摘要 : 用计算流体力学 (CFD) 方法对波纹板除雾器内的气液两相流动进行了数值模拟 ,计算得到 了不同液滴直径 、进气速度与叶片间距下除雾器的除雾效率和压降 ,并分析总结了各参数对除雾效 率和压降的影响规律. 数值模拟还显示了液滴的运动轨迹以及液滴浓度 、压力 、速度和旋涡的分布 情况 ,这对除雾器的优化设计具有指导意义. 研究表明 CFD 方法可以成为除雾器设计的有效辅助 手段. 关键词 : 除雾器 ; 两相流动 ; 数值模拟 ; 除雾效率 ; 压降 中图分类号 : T K 223. 27 文献标识码 : A
Key words : dem ister ; t w o phase f low ; n u merical si m ul ation ; dem isti ng ef f iciency ; p ressu re d rop
烟气脱硫 ( F GD) 是控制二氧化硫污染的最为有 效的技术手段 ,已广泛应用于电力生产 、冶炼 、建材 及化工等领域. 其中 ,湿法烟气脱硫技术最为成熟 , 应用占 80 %以上[1 ] . 除雾器是湿法烟气脱硫系统中 的关键设备 ,设在烟气出口处 ,以保证脱硫塔出口处 的气流不夹带液滴. 否则 ,酸性液滴会玷污热交换 器 、烟道及风机等. 除雾器的性能直接影响到脱硫系
2. 3 计算条件
本文所研究的除雾器叶片材料为增强型聚丙 烯 ,表面粗糙度设为 0. 进入除雾器的烟气温度为 50 ℃,整个计算过程中温度不变. 2. 3. 1 连续相
介质 : 密度为 1. 1 kg/ m3 、动力黏度为1. 954 56 ×10 - 5N·s/ m2 的空气.
进口条件 : 给定气流速度 uy = 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 m/ s ; ux = 0 ,在进口截面均匀分布.
关 ,因此 ,将流动视为定常流动.
对于连续相 (气相) ,由雷诺数可知流动为湍流 ,
因此 ,控制方程组采用二维不可压缩黏性流动的雷 诺时均方程组. 因为 RN G kΟε湍流模型能较好地处
理高应变率和流线弯曲程度较大的流动 ,所以 ,选用
RN G kΟε湍流模型对方程组封闭求解. 近壁面采用
低雷诺数模型进行处理[6 ] .
除雾器的工作原理是带有液滴的烟气进入除雾 器通道 ,由于流线偏折 ,在惯性力的作用下实现气液 分离 ,部分液滴撞击在除雾器叶片上被捕集下来.
图 1 除雾器流道 Fig. 1 Flow passage of demister
2 计算方法
2. 1 数学模型
在除雾器的实际使用中 ,带有液滴的气流在弯
收稿日期 : 2006 - 10 - 31 作者简介 : 徐淑君 (1981 - ) ,女 ,硕士研究生 。
统能否持续可靠运行 ,其故障不仅会造成脱硫系统 的停运 ,甚至可能导致整个发电机组停运. 因此 ,科 学合理地设计和使用除雾器对保证湿法烟气脱硫系 统的正常运行具有非常重要的意义.
传统的除雾器设计主要依靠反复实验与经验修 正 ,通过对产品的不断改型来找到合适的结构参数 , 这需要进行大量的试制和实验参数测量等工作 ,其
Numerical simulation on t wo phase flow in demister with corrugated baffle
XU Shu2jun , YAO Zheng , ZHU Yi2yuan
( College of Power Engi neeri ng , U niversity of S hanghai f or Science and Technology , S hanghai 200093 , Chi na)
7
1
yw = 6
Vr
ν
-8
Lr 2
8 y+
(3)
式中 , V r 为入口平均速度 ; L r 为入口宽度.
本文采用 CFD 应用软件 FL U EN T 进行数值计 算 ,用其前处理软件 Gambit 生成网格.
1 除雾器的结构及工作原理
脱硫系统中的除雾器通常由除雾器本体和冲洗 系统两部分组成. 除雾器本体由除雾器叶片 、卡具 、 夹具及支架等按一定的结构形式组装而成 ,其作用 是捕集烟气中的液滴及少量的粉尘 ,以减少烟气带 水 ,防止风机振动. 除雾器叶片是组成除雾器流道的 基本元件 ,其种类繁多 ,按几何形状可分为折线型和 流线型[4 ] . 本文所研究的除雾器为流线型叶片 ,形 状为正弦波形. 由于除雾器稳定运行时 ,各通道内的 流动工况差异很小 ,本文仅对除雾器单通道内的流 动情况进行模拟 ,即只模拟两叶片间的两相流动 ,流 体由下向上运动 ,如图 1 所示.
α2
+ Re
+
α3
Re2
其中 ,α1 、α2 、α3 根据相对雷诺数的范围取不同的
值.
2. 2 数值方法
对于连续相 ,本文采用 SIMPL E 算法进行压力Ο 速度耦合 ,用有限体积法对算例进行离散处理. 压力 采用交错控制体 (pressure staggering option) 离散格 式 ,动量 、湍动动能 、湍流耗散率均采用二阶迎风离 散格式. 交错控制体是交错网格 ( stagger2grids) 在非 结构网格中的推广 ,用以提高网格表面压力的计算 精度.
对于离散相 (液滴相) 运用拉格朗日方法对各个
颗粒方程进行积分求解 ,计算出颗粒的运动轨迹.
直角坐标系下的颗粒受力微分方程为[5 ]
d up
gx (ρp - ρ)
d t = FD ( u - up) +
ρp
+ Fx (1)
式中 , u 为流体速度 ; up 为颗粒速度 ;ρ为流体密
度 ;ρp 为颗粒密度 ; Fx 为附加加速度 ; FD ( u - up)
出口条件 : 出口表压为 0 (操作压力为 101 325
Pa) . 壁面条件 : 无滑移 ,绝热.
2. 3. 2 离散相
介质 : 介质为水 ,烟气含水量为 0. 05 kg/ m3 . 进口条件 : 给定液滴速度与气流速度相同 ,喷 射类型选为表面 ( surface) ,使液滴均匀分布在进口 截面上. 液滴直径 : 本文计算的 6 种液滴直径为 10 ,20 , 30 ,40 ,50 ,60μm. 颗粒质量流量 : Q = 0. 05 up L ,其中 ,叶片间距
Abstract : The computational fluid dynamics ( CFD) met hod is used to simulate numerically t he two phase flow of gas and liquid in a demister wit h corrugated baffle. The demisting efficiency and pressure drop under various droplet diameters , gas velocities and plate spacings are provided. The effect s of main design parameters on t he demisting efficiency and pressure drop are analyzed. The simulation also shows t he t racks of droplet s , and t he detailed dist ributions of pressure , velocity , vortex and droplet concent ration , which are inst ructional to t he optimal design of demister. The st udy indicates t hat CFD met hod can be employed as an effective means in demister design.
对于离散相 ,由于液滴相的体积分数小于 12 % , 本文采用离散相模型中的随机颗粒追踪模型模拟颗 粒的运动[5 ] . 该模型在对颗粒轨道方程的积分过程 中使用了流体的瞬时速度 ,以考虑颗粒的湍流扩散. 由于液滴直径很小 ,所以在计算中当作球体处理 ,不 考虑液滴形变 、碰撞 、破裂 、聚合 、蒸发和摩擦影响 ; 液滴碰到流道壁面后即认为被捕集 ,不考虑壁面反 弹 、液膜形成和撕裂及二次夹带的作用 ;液滴到达出 口时 ,即认为液滴逃逸. 离散相与连续相进行耦合计 算. 整个流场考虑重力影响.
L = 20 ,25 ,30 ,35 ,40 ,45 ,50 mm. 壁面条件 : 选择捕集 ( trap ) 类型 ,即不考虑反
弹 ,触及壁面就被捕集3 mm 的叶片 组成 ,应用 GAMB IT 软件生成网格. 由于低雷诺数 近壁面模型对网格质量要求较高 ,近壁面第一层网 格高度需满足网格尺度因子 y + = 1～5 ,因此 ,必须 在壁面附近细分网格. 可计算出近壁面第一层网格 高度为
近两年来 ,国内一些学者开始将 CFD 方法引入 除雾器的研究之中. 文献[ 2 ]运用 ANS YS 软件的对 折板和弧形除雾器进行了二维数值模拟 ,对速度场 作了分析 ,文献[ 3 ]对折线型挡板除雾器的分离效率 进行了数值计算 ,但未进行流场分析. 他们在计算中 都忽略了重力影响和连续相与离散相之间的耦合作 用 ,并使用了标准 kΟε模型 ,该模型用于强旋流 、弯 曲壁面流动或弯曲流线流动时会产生一定的失真.
曲通道中的流动是一种可压缩黏性流体的三维 、非
定常流动过程. 为了提高计算速度 ,可对实际问题作
适当简化 :
a. 忽略流道的空间拉伸 ,简化流场为两叶片间
的二维平面流动 ;
b. 由于进入除雾器的气流马赫数远小于 0. 1 ,
可把气体视为不可压缩气体处理[5 ] ;
c. 在理想状况下 , 气体流动各参数与时间无
第 29 卷 第 3 期
上海理工大学学报
J . University of Shanghai for Science and Technology
文章编号 :1007 - 6735 (2007) 03 - 0275 - 06
Vol. 29 No. 3 2007
波纹板除雾器两相流动的数值模拟与分析
徐淑君 , 姚 征 , 朱懿渊
(上海理工大学 动力工程学院 , 上海 200093)
摘要 : 用计算流体力学 (CFD) 方法对波纹板除雾器内的气液两相流动进行了数值模拟 ,计算得到 了不同液滴直径 、进气速度与叶片间距下除雾器的除雾效率和压降 ,并分析总结了各参数对除雾效 率和压降的影响规律. 数值模拟还显示了液滴的运动轨迹以及液滴浓度 、压力 、速度和旋涡的分布 情况 ,这对除雾器的优化设计具有指导意义. 研究表明 CFD 方法可以成为除雾器设计的有效辅助 手段. 关键词 : 除雾器 ; 两相流动 ; 数值模拟 ; 除雾效率 ; 压降 中图分类号 : T K 223. 27 文献标识码 : A
Key words : dem ister ; t w o phase f low ; n u merical si m ul ation ; dem isti ng ef f iciency ; p ressu re d rop
烟气脱硫 ( F GD) 是控制二氧化硫污染的最为有 效的技术手段 ,已广泛应用于电力生产 、冶炼 、建材 及化工等领域. 其中 ,湿法烟气脱硫技术最为成熟 , 应用占 80 %以上[1 ] . 除雾器是湿法烟气脱硫系统中 的关键设备 ,设在烟气出口处 ,以保证脱硫塔出口处 的气流不夹带液滴. 否则 ,酸性液滴会玷污热交换 器 、烟道及风机等. 除雾器的性能直接影响到脱硫系
2. 3 计算条件
本文所研究的除雾器叶片材料为增强型聚丙 烯 ,表面粗糙度设为 0. 进入除雾器的烟气温度为 50 ℃,整个计算过程中温度不变. 2. 3. 1 连续相
介质 : 密度为 1. 1 kg/ m3 、动力黏度为1. 954 56 ×10 - 5N·s/ m2 的空气.
进口条件 : 给定气流速度 uy = 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 m/ s ; ux = 0 ,在进口截面均匀分布.
关 ,因此 ,将流动视为定常流动.
对于连续相 (气相) ,由雷诺数可知流动为湍流 ,
因此 ,控制方程组采用二维不可压缩黏性流动的雷 诺时均方程组. 因为 RN G kΟε湍流模型能较好地处
理高应变率和流线弯曲程度较大的流动 ,所以 ,选用
RN G kΟε湍流模型对方程组封闭求解. 近壁面采用
低雷诺数模型进行处理[6 ] .
除雾器的工作原理是带有液滴的烟气进入除雾 器通道 ,由于流线偏折 ,在惯性力的作用下实现气液 分离 ,部分液滴撞击在除雾器叶片上被捕集下来.
图 1 除雾器流道 Fig. 1 Flow passage of demister
2 计算方法
2. 1 数学模型
在除雾器的实际使用中 ,带有液滴的气流在弯
收稿日期 : 2006 - 10 - 31 作者简介 : 徐淑君 (1981 - ) ,女 ,硕士研究生 。
统能否持续可靠运行 ,其故障不仅会造成脱硫系统 的停运 ,甚至可能导致整个发电机组停运. 因此 ,科 学合理地设计和使用除雾器对保证湿法烟气脱硫系 统的正常运行具有非常重要的意义.
传统的除雾器设计主要依靠反复实验与经验修 正 ,通过对产品的不断改型来找到合适的结构参数 , 这需要进行大量的试制和实验参数测量等工作 ,其
Numerical simulation on t wo phase flow in demister with corrugated baffle
XU Shu2jun , YAO Zheng , ZHU Yi2yuan
( College of Power Engi neeri ng , U niversity of S hanghai f or Science and Technology , S hanghai 200093 , Chi na)
7
1
yw = 6
Vr
ν
-8
Lr 2
8 y+
(3)
式中 , V r 为入口平均速度 ; L r 为入口宽度.
本文采用 CFD 应用软件 FL U EN T 进行数值计 算 ,用其前处理软件 Gambit 生成网格.
1 除雾器的结构及工作原理
脱硫系统中的除雾器通常由除雾器本体和冲洗 系统两部分组成. 除雾器本体由除雾器叶片 、卡具 、 夹具及支架等按一定的结构形式组装而成 ,其作用 是捕集烟气中的液滴及少量的粉尘 ,以减少烟气带 水 ,防止风机振动. 除雾器叶片是组成除雾器流道的 基本元件 ,其种类繁多 ,按几何形状可分为折线型和 流线型[4 ] . 本文所研究的除雾器为流线型叶片 ,形 状为正弦波形. 由于除雾器稳定运行时 ,各通道内的 流动工况差异很小 ,本文仅对除雾器单通道内的流 动情况进行模拟 ,即只模拟两叶片间的两相流动 ,流 体由下向上运动 ,如图 1 所示.
α2
+ Re
+
α3
Re2
其中 ,α1 、α2 、α3 根据相对雷诺数的范围取不同的
值.
2. 2 数值方法
对于连续相 ,本文采用 SIMPL E 算法进行压力Ο 速度耦合 ,用有限体积法对算例进行离散处理. 压力 采用交错控制体 (pressure staggering option) 离散格 式 ,动量 、湍动动能 、湍流耗散率均采用二阶迎风离 散格式. 交错控制体是交错网格 ( stagger2grids) 在非 结构网格中的推广 ,用以提高网格表面压力的计算 精度.
对于离散相 (液滴相) 运用拉格朗日方法对各个
颗粒方程进行积分求解 ,计算出颗粒的运动轨迹.
直角坐标系下的颗粒受力微分方程为[5 ]
d up
gx (ρp - ρ)
d t = FD ( u - up) +
ρp
+ Fx (1)
式中 , u 为流体速度 ; up 为颗粒速度 ;ρ为流体密
度 ;ρp 为颗粒密度 ; Fx 为附加加速度 ; FD ( u - up)
出口条件 : 出口表压为 0 (操作压力为 101 325
Pa) . 壁面条件 : 无滑移 ,绝热.
2. 3. 2 离散相
介质 : 介质为水 ,烟气含水量为 0. 05 kg/ m3 . 进口条件 : 给定液滴速度与气流速度相同 ,喷 射类型选为表面 ( surface) ,使液滴均匀分布在进口 截面上. 液滴直径 : 本文计算的 6 种液滴直径为 10 ,20 , 30 ,40 ,50 ,60μm. 颗粒质量流量 : Q = 0. 05 up L ,其中 ,叶片间距
Abstract : The computational fluid dynamics ( CFD) met hod is used to simulate numerically t he two phase flow of gas and liquid in a demister wit h corrugated baffle. The demisting efficiency and pressure drop under various droplet diameters , gas velocities and plate spacings are provided. The effect s of main design parameters on t he demisting efficiency and pressure drop are analyzed. The simulation also shows t he t racks of droplet s , and t he detailed dist ributions of pressure , velocity , vortex and droplet concent ration , which are inst ructional to t he optimal design of demister. The st udy indicates t hat CFD met hod can be employed as an effective means in demister design.
